10.Komutacja optyczna

Motywacje
Współczesne centrale telekomunikacyjne przetwarzają wyłącznie sygnały elektryczne, stanowiąc ogniwo wprowadzające znaczące opóźnienia transmisji światłowodowych. W celu właściwego ukierunkowania każdego przekazu należy bowiem dokonać konwersji światła na prąd elektryczny, który przetworzony przez układy przełączające ponownie zamienia się w światło. Oprócz wzrostu czasu przetwarzania, cały proces powoduje również znaczące podwyższenie kosztów. Jedynym akceptowalnym rozwiązaniem problemu jest komutacja optyczna.

Komutacja MEMS
Pierwsza propozycja komutacji optycznej Wykorzystując układy zrealizowane w technologii niobianu litu wyprodukowano tam matrycę komutacyjną 16 x 16, której pojemność udało się niedawno powiększyć do rozmiaru 48 x 48. Na razie jednak komutatory tego typu obsługują zbyt małą liczbę kanałów, aby myśleć o ich praktycznym wykorzystaniu.

Rys. 1. Komutator MEMS

Wytwarzanie elementów mikroelektromechanicznych (MikroElectroMechanical Systems - MEMS) bazuje na procesach fotolitografii i trawienia używanych podczas realizacji układów elektronicznych wielkiej skali integracji. Istotną nowość stanowi przy tym fakt, że otrzymywane w ten sposób struktury o rozmiarach dziesiątek lub setek mikrometrów mogą poruszać się pod wpływem sygnałów elektrycznych.

W celu kierunkowania sygnałów optycznych wykorzystywane są miniaturowe zwierciadła sterowane sygnałem elektrycznym. Poglądowy schemat funkcjonowania elementu MEMS przedstawiono na rys. 1.

Oprócz matrycy zwierciadeł, w skład układu komutacyjnego wchodzi lustro pomocnicze. Sygnał wejściowy trafia na jedną z wielu powierzchni roboczych, skąd po kolejnym odbiciu dociera do następnej i opuszcza strukturę wyprowadzeniem wyjściowym. Proces reorientacji luster roboczych o rozmiarach rzędu pół milimetra trwa stosunkowo długo, bo aż kilka milisekund, ale wartość tego parametru jest w większości przewidywanych zastosowań w pełni akceptowalna, tym bardziej że rozwiązanie cechują również i inne atrakcyjne właściwości.

Przełącznik zawierający 256 zwierciadeł stanowi kwadrat o boku ok. 2,5 cm, a więc jest znacznie mniejszy od swego elektronicznego odpowiednika. Ponadto, eliminacja konwersji optoelektronicznej i brak potrzeby klasycznego przetwarzania sygnałów powodują prawie stukrotną redukcję zapotrzebowania na energię.

Inne rozwiązania

Komutacja sygnałów optycznych w rozdwojonych torach transmisyjnych, których jedna gałąź jest poddawana ogrzewaniu. Zmiana temperatury powoduje wydłużenie drogi optycznej i co za tym idzie zmianę fazy propagującego sygnału. W efekcie, droga, którą sygnał opuści element przełączający zależy do tego, czy gałąź sterująca posiada długość standardową, czy też powiększoną. Funkcjonowanie przełączających układów termooptycznych ilustruje schemat przedstawiony na rys. 2.

Jedną z najbardziej obiecujących kategorii komutatorów termooptycznych są komutatory pęcherzykowe (bubble). W takich komutatorach sygnał świetlny jest kierowany wzdłuż falowodu. W rowku, w miejscu skrzyżowania falowodów, znajduje się płyn, który ma dokładnie taki sam współczynnik załamania, jak w falowodzie, dzięki czemu sygnał świetlny przechodzi na wprost,bez załamania, do dalszej części falowodu. Usunięcie płynu z miejsca skrzyżowania w wyniku lokalnego podgrzania i wytworzenia pęcherzyka pary (układ analogiczny do rozwiązania stosowanego w głowicach drukarek atramentowych) powoduje zmianę warunków propagacji fali w tym punkcie. Prowadzi to do całkowitego wewnętrznego odbicia. Drugi falowód, umieszczony na kierunku odbicia światła, przejmuje „przełączony” sygnał optyczny .

Kolejnym rozwiązaniem jest system wykorzystujący właściwości cieczy określanych mianem ciekłych kryształów. Posiadają one właściwość oddziaływania na polaryzację przechodzących sygnałów świetlnych w sposób sterowany przyłożonym napięciem elektrycznym. Jeżeli na wyjściu układu umieszczony będzie dodatkowo element kierunkujący sygnał stosownie do jego polaryzacji, to całość może sterować przekazem przełączając kierunki z częstotliwością ograniczoną jedynie czasem reakcji ciekłego kryształu.

Ostatnią z rozważanych obecnie technologii jest zastosowanie zjawisk nieliniowych, które pozwalają na konstruowanie elementów przełączających zdolnych do zmiany stanu w ciągu pojedynczych femtosekund. Typową realizację przełącznika stanowi światłowodowa pętla z dwoma wyprowadzeniami oraz sprzężoną linią sterującą.

Krótkie impulsy wprowadzane do elementu są powielane i obiegają pętlę w przeciwne strony. Wprowadzenie sygnału sterującego, który oddziałuje z jedną ze składowych powoduje jej nieliniową zmianę fazy i w efekcie sygnał opuszcza pętle przez dodatkowe wyjście. Jeśli impuls sterujący nie pojawi się podczas obiegania pętli przez sygnał użytkowy, opuści on element tą samą drogą. Opisane rozwiązanie może funkcjonować jedynie w przypadku, gdy przetwarzane impulsy posiadają dużą moc, zdolną do wywołania efektów nieliniowych w światłowodzie. Ograniczenie to można wyeliminować wykorzystując wzmacniacz optyczny o odpowiednich parametrach.

---